Caracterização quantitativa das propriedades da biotinta fotossensível líquida para impressão baseada em processamento contínuo de luz

Resumo

Este estudo utiliza a temperatura e a composição do material para controlar as propriedades de tensão de escoamento de fluidos de tensão de escoamento. O estado sólido da tinta pode proteger a estrutura de impressão, e o estado líquido pode preencher continuamente a posição de impressão, realizando o processamento digital de luz impressão 3D de biotintas extremamente macias.

Resumo

A fabricação precisa de biotintas por impressão é um pré-requisito para a engenharia de tecidos; a curva de trabalho de Jacobs é a ferramenta para determinar os parâmetros de impressão precisos do processamento digital de luz (DLP). No entanto, a aquisição de curvas de trabalho desperdiça materiais e requer alta conformabilidade de materiais, que não são adequados para biomateriais. Além disso, a redução da atividade celular devido a múltiplas exposições e a falha na formação estrutural devido ao posicionamento repetido são problemas inevitáveis na bioimpressão convencional de DLP. Este trabalho introduz um novo método de obtenção da curva de trabalho e o processo de melhoria da tecnologia de impressão contínua DLP baseada nesta curva de trabalho. Este método de obtenção da curva de trabalho baseia-se na absorbância e nas propriedades fotorreológicas dos biomateriais, que não dependem da conformabilidade dos biomateriais. O processo de impressão DLP contínua, obtido a partir da melhoria do processo de impressão através da análise da curva de trabalho, aumenta a eficiência de impressão em mais de dez vezes e melhora consideravelmente a atividade e a funcionalidade das células, o que é benéfico para o desenvolvimento da engenharia de tecidos.

Introdução

A engenharia tecidual¹ é importante no campo do reparo de órgãos. Devido à falta de doação de órgãos, algumas doenças, como insuficiência hepática e insuficiência renal, não têm cura e muitos pacientes não recebem tratamento em tempo hábil². Organoides com a função necessária dos órgãos podem resolver o problema causado pela falta de doação de órgãos. A construção de organoides depende do progresso e desenvolvimento da tecnologia de bioimpressão³.

Em comparação com a bioimpressão do tipo extrusão⁴ e a bioimpressão do tipo jato de tinta⁵, a velocidade de impressão e a precisão de impressão do método de bioimpressão digital de processamento de luz (DLP) são maiores ^6,7. O módulo de impressão do método do tipo extrusão é linha por linha, enquanto o módulo de impressão do método do tipo jato de tinta é ponto a ponto, o que é menos eficiente do que o módulo de impressão camada por camada da bioimpressão DLP. A exposição modulada à luz ultravioleta (UV) a uma camada inteira de material para curar uma camada na bioimpressão DLP e o tamanho da característica da imagem determinam a precisão da impressão DLP. Isso torna a tecnologia DLP muito eficiente ^8,9,10. Devido à cura excessiva da luz UV, a relação precisa entre o tempo de cura e o tamanho de impressão é importante para a bioimpressão DLP de alta precisão. Além disso, a impressão DLP contínua é uma modificação do método de impressão DLP que pode melhorar muito a eficiência de impressão^11,12,13. Para impressão DLP contínua, as condições de impressão precisas são os fatores mais importantes.

A relação entre o tempo de cura e o tamanho de impressão é chamada de curva de trabalho de Jacobs, que é amplamente utilizada na impressão DLP^14,15,16. O método tradicional para obter a relação é expor o material por um determinado tempo e medir a espessura de cura para obter um ponto de dados sobre o tempo de exposição e espessura de cura. Repetindo essa operação pelo menos cinco vezes e ajustando os pontos de dados obtém-se a curva de trabalho de Jacobs. No entanto, este método tem desvantagens óbvias; ele precisa consumir muito material para conseguir a cura, os resultados são altamente dependentes das condições de impressão, as biotintas usadas na bioimpressão DLP são caras e raras, e a formabilidade das biotintas geralmente não é boa, o que pode levar a medições imprecisas da espessura de cura.

Este artigo fornece um novo método para obter a relação de cura de acordo com as propriedades físicas da biotinta. O uso dessa teoria pode otimizar a impressão contínua de DLP. Este método pode ser utilizado para obter a relação de cura de forma mais rápida e precisa; a cura contínua de DLP pode, portanto, ser melhor determinada.

Protocolo

1. Preparação teórica

1. Definir três_parâmetros: absorbância líquida (A_l), absorbância sólida (A s) e tempo limite (t_T)¹⁷.
2. Reescreva a curva de trabalho tradicional de Jacobs usando estes três parâmetros¹⁷ de acordo com a Equação 1:
   (Equação 1)
   Aqui, t H é o tempo de cura de uma única camada, e_H é a altura de uma única camada.

2. Aquisição de parâmetros

1. Meça o tempo limite da biotinta usando um reômetro equipado com um elemento para controle de temperatura.
   1. Use uma fonte de luz de 365 nm para expor a plataforma de teste do reômetro e fazer a intensidade da luz em um determinado valor.
   2. Defina o reômetro para obter os dados Time-Moduli durante um período de 300 s e pegue cada ponto de dados a cada 0,3 s através das opções de Configurações de Tempo no software do reômetro. Clique no botão Iniciar teste do reômetro para iniciar o teste e, ao mesmo tempo, clique no botão Iniciar da fonte de luz.
   3. Contando a partir do início da exposição, quando os dados do módulo de armazenamento são iguais aos dados do módulo de perda, o tempo correspondente é reconhecido como o tempo limite. Grave manualmente.
2. Construir o equipamento de teste de absorbância como mostrado no trabalho anterior¹⁷. Use duas lâminas de vidro superior e inferior para prender a estrutura impressa em forma de anel (5 mm de diâmetro interno, 10 mm de diâmetro externo) com uma espessura de 500μm de modo que o círculo interno do anel forme uma câmara. Coloque a câmara na área de ensaio do medidor de intensidade luminosa e ajuste a fonte de luz para expor a área da câmara.
   NOTA: A Figura 1 mostra o diagrama esquemático dos resultados dos ensaios fotorreológicos e dos resultados do processamento de dados, bem como o equipamento de ensaio de absorbância.
   1. Medir a intensidade luminosa incidente_(I) quando a câmara de ensaio não estiver cheia de material do equipamento de ensaio de absorbância, lendo o visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio.
   2. Encher a câmara de ensaio com 10 μLof de biotinta.
   3. Expor a câmara de ensaio com biotinta à luz UV a 365 nm. Obter a intensidade luminosa (I_lh) do equipamento de ensaio de absorbância através da leitura do visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio.
   4. Obter a intensidade luminosa quando a biotinta for curada (I_sh) a partir do equipamento de ensaio de absorbância, lendo o visor do medidor de intensidade luminosa do equipamento de ensaio quando o valor deixar de existir. Esse valor é a absorvância sólida, eu_sh.
   5. Calcular a absorbância líquida e a absorbância sólida utilizando as equações 2 e 3:
           Equação 2
           Equação 3
3. Obter a curva de trabalho de Jacobs de acordo com os parâmetros obtidos.

Figura 1: Resultados dos testes e equipamentos . (A) Diagrama esquemático dos resultados dos ensaios fotorreológicos e dos resultados do processamento dos dados. (B) Equipamento de ensaio de absorbância. Esse valor foi modificado com permissão de Li et ^al.17. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Configurações de parâmetros de impressão DLP contínua

1. Use o software DLP para obter impressão DLP e o conjunto de parâmetros de impressão no software da seguinte maneira.
2. Defina o tempo de exposição da primeira camada única como o tempo limite (t_T) nas configurações de parâmetros do software.
   1. Calcular o tempo de exposição dos materiais de cura de 10 μm, de acordo com a Equação 1, e subtrair o tempo limite para obter o tempo real de exposição para a cura de uma única camada.
3. Defina o intervalo de tempo entre as camadas adjacentes como 0 s nas configurações de parâmetros do software.
4. Inicie a impressora clicando no botão Iniciar no software de impressão. Quando o processo de impressão terminar, conclua a impressão clicando no botão Parar no software de impressão.

Resultados

Este artigo mostra um novo método para obtenção de parâmetros de cura e introduz uma nova forma de se obter impressão contínua de DLP, demonstrando a eficiência deste método na determinação da curva de trabalho.

Foram utilizados três materiais diferentes na impressão DLP para verificar a exatidão da curva de trabalho teórica obtida pelo método introduzido neste artigo. Os materiais são 20% (v/v) de polietileno (glicol) diacrilato (PEGDA), 0,5% (p/v) de lítio fenil-2,4,6-trimet...

Discussão

As etapas críticas deste protocolo estão descritas na seção 2. É necessário unificar a intensidade luminosa utilizada no ensaio fotorreológico e a intensidade luminosa de impressão nos ensaios propriamente ditos. O equipamento de teste de absorbância é a parte mais importante. A forma da câmara de ensaio deve ser a mesma que a área fotossensível do medidor de intensidade luminosa. Devido às propriedades dos materiais que mudam continuamente durante todo o processo de exposição à luz UV, a intensidade da ...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Brilliant Blue	Aladdin (Shanghai, China).	6104-59-2
DLP software	Creation Workshop	N/A
Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate		N/A	LAP; synthesized
Light source	OmniCure	https://www.excelitas.com/product-category/omnicure-s-series-lamp-spot-uv-curing-systems	365 nm
Polyethylene (glycol) diacrylate	Sigma-Aldrich	455008	PEGDA Mw ~700
Rheometer	Anton Paar, Austria	MCR302